浅析箱式变电站智能管家设计方法

步长存

（山东省邱集煤矿有限公司，山东 德州 251100）

箱式变电站（简称箱变）长期工作在高电压、大电流、强磁场环境中，其电气部件易出现电气或机械方面的故障，故障的发生将直接影响电网的安全及效益。其故障主要分为渐发性和突发性两种，突发性故障无法通过监控进行预测，而渐发性故障是有规律可循的。绝缘老化、元件腐蚀、设备运行温度过高、环境条件恶劣是引发渐发性故障的主要原因，在所有故障中占有很高的比例。因此对箱变的工作状态及温度、湿度等环境参数进行实时监测具有重要意义。

箱式变电站起源于20 世纪60 年代的欧美，最初的欧式箱变是将高压柜、变压器、低压柜通过一定结构组装到一个箱体内，不具备电力计量、无功补偿及运行状态监测的功能。20 世纪80 年代起，随着配电网络的发展和传感技术、微电子技术、通信技术的应用，箱式变电站在运行状态检测方面进入了快车道，在欧美的带动下，各国开始对智能箱式变电站进行研究。90 年代中期，箱变经历了引进、推广和改进三个阶段，并陆续生产出符合我国应用条件的箱式变电站，具备了无功补偿，电力计量及运行状态监测等功能。箱式变电站智能化成为当前的发展趋势。

本文针对箱式变电站智能化过程中抗干扰、测量精度和布线等问题，设计了一种基于无线通信技术的箱式变电站智能管家系统，可检测箱式变电站运行状态及内部的环境参数，并通过变电站内部信息的无线传输和远程无线通信，实现箱式变电站状态的远程智能监控。论文的设计为箱式变电站智能化提供了解决方案，对电网智能化起到了丰富和促进作用。

1 整体系统方案

箱式变电站包含高压配电、变压器配电、低压配电三部分，它们的空间排布分为“目字形”或“品字形”两种，如图1 所示。“品字形”优势在于结构紧凑，便于安装，“目字形”优势在于接线方便。

高压室有高压开关设备、熔断器、铠装母线、套管、避雷器、无功补偿装置、控制或测量装置及保护装置等高压配电装置，有10KV 以上高压，是强电部分。变压器室有油位表、油温显示表和真空气压表、风机等。低压室有配备进线柜、出线柜、电容柜等低压配电装置。

根据箱式变电站内部配置及工作需要，本文的智能管家系统采用模块化思想进行设计，如图2 所示，系统有传感器、无线传输、智能终端三个模块。传感器模块安装在箱式变电站箱体内部，完成对各部件和设备运行参数（电流、电压、温度、湿度等）的采集；无线传输模块将传感器采集到的数据进行简单的处理之后无线传输到监控终端模块，监控终端对数据进行加工、处理后显示在可视化的检测界面，可随时随地监视箱式变电站的运行情况。采集到的数据可用于故障诊断和预测报警。

图1 箱式变电站布局示意图

图2 系统结构示意图

如图3 所示，系统可分为三层结构：现场层、通讯层和站控层。监控中心可以是PC、手机、Pad 等智能终端，它通过移动数据网收集现场运行参数。现场层有分布在三个腔室中的传感器检测运行参数和环境参数，并通过无线通讯方式进行数据交互。

2 系统组成部分设计

智能箱式变电站管家系统可以随时将箱变的运行情况（如电压、电流、开关位置、功率、箱体内环境等参数）通过无线方式发送给远方的监控中心，系统硬件组成如图4 所示。

箱变内部安装电压传感器、电流传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等来采集监测系统所需数据。电压和电流传感器用于采集各电力部件的电压、电流，监测到的实时参数可以判断箱变内主要电力设备是否正常运行、电能质量是否达到指标。温度和湿度传感器采集各部件以及箱体内部温度、湿度，烟雾传感器采集箱体内部的烟雾状态。采集到的数据可通过与正常运行条件下数据的比对，进行隐患排查，可有效避免故障的发生。

各传感器的分布和检测要点如下：在高压室，开关量状态是高压室监控的重点，主要监控对象有高压断路器、高压负荷开关、各继电保护装置和母线风机开关，同时需要检测绕组和母线的温度及其他环境参数；在变压器室，主要设备是降压变压器，主要监测室内温、湿度和风机开关状态，通过室内温度和绕组线包温度可判断是否发生绕组短路和过载，风机是变压器进行散热的主要方式，需要实时检测以确保其正常工作；在低压室，主要监测进线回路电参量，如三相电压、三相电流、有功功率、无功功率等；监测的开关量主要有低压断路器、熔断器、无功补偿投切开关的开关状态。

图3 系统总体方案

图4 系统硬件结构框图

各腔室检测到的数据通过无线的方式与协调器节点进行数据交互，再通过网关处理器以移动无线方式与远程终端进行通信。之所以不用有线方式是因为其传输的局限性太大，特殊环境（如山地、湖泊、林区等）对布线有着极强的制约力，而无线传输方式几乎不受地理环境限制，更灵活适用。

智能终端模块将无线传输模块传送的数据进行转换、计算以及处理后将各种参数发送到可视化的显示界面，便于监视观察及其他应用。

3 结语

作为智能化电网的重要组成，箱式变电站的智能化受到了越来越多的关注，传感器、通信和物联网等技术的发展为箱式变电站的智能化提供了有力的技术支撑。本文给出了一种基于无线通信技术、具有多变量检测能力的箱式变电站智能管家系统。系统根据箱变三个腔室的功能和需求，通过电压、电流、温度、湿度、烟雾等传感器来采集监测系统所需数据，通过无线方式实现内部数据汇总和外部的数据传输。在授权的智能终端上，可实时查看箱变的运行状态和环境参数，基于相关数据可进行预测、预报和预警。此管家系统可以替代日常的人工巡检，实现箱变的无人值守。